造就第420位講者 孟佳
中科院上海硅酸鹽研究所高級(jí)工程師
明月幾時(shí)有
把酒問青天
不知天上宮闕
今夕是何年
浩瀚星空，一輪明月帶給了人類無盡的遐想。然而直到今天，人類都不了解月球背面究竟是什么樣。
由于潮汐鎖定效應(yīng)，月亮繞地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的周期相同，都是27天7小時(shí)43分11.47秒，我們?cè)诘厍蛏峡吹降脑铝僚c幾億年前恐龍看到的月亮，依然是同一面。
遨游太空探索宇宙奧秘是人類自古以來一直夢(mèng)寐以求的愿望，我們鍥而不舍地想要掙脫地球的引力，去看看地球之外究竟有什么。自1958年以來，中國(guó)在宇宙探索的征程上經(jīng)過了60年的發(fā)展，先后樹立了三個(gè)里程碑：發(fā)射人造衛(wèi)星、載人航天和月球探測(cè)。
隨著2019年1月3日嫦娥四號(hào)探測(cè)器首次在月球背面成功登陸，人類終于有望逐漸揭開月球背面的秘密。
我所任職的中科院上海硅酸鹽研究所特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要從事與航天器相關(guān)的各種熱控涂層、熱防護(hù)材料的研究開發(fā)，從第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”到嫦娥四號(hào)探測(cè)器，見證了我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展。
在每個(gè)航天器上都有一套經(jīng)過精密計(jì)算、設(shè)計(jì)而來的熱控制系統(tǒng)，它包含熱控涂層、熱防護(hù)材料以及熱管等。不管外部的條件變化多么劇烈，都能使航天器內(nèi)部維持在一定的溫度范圍，保證艙內(nèi)儀器設(shè)備正常工作。
為什么要有這套系統(tǒng)呢？
我們都知道地球有大氣層，它就像一個(gè)保護(hù)罩一樣把我們的地球保護(hù)起來，為地球提供空氣，并且可以讓地球的溫度變化穩(wěn)定在一個(gè)可適應(yīng)的范圍內(nèi)。
而航天器一旦沖出大氣層，失去了它的保護(hù)，就像一個(gè)赤身裸體的新生嬰兒，會(huì)受到紫外線、高能粒子、原子氧等極端環(huán)境的侵蝕，其中溫度變化帶來的影響是最為顯著的。
因?yàn)橛钪婵臻g是個(gè)極高真空環(huán)境，航天器與外部環(huán)境的熱交換只有熱輻射一種方式，沒有熱傳導(dǎo)，也沒有熱對(duì)流。當(dāng)太陽(yáng)直接照到航天器表面，如果沒有加防護(hù)層，溫度會(huì)很快升到100攝氏度以上，而在太陽(yáng)照射不到的區(qū)域，它的溫度又會(huì)降到零下100度以下。因此我們必須給航天器穿戴上一套全方位的保護(hù)盔甲。
這是東方紅一號(hào)人造衛(wèi)星，最外層這件閃著金光的外衣絕不是為了好看，它是一種具有特殊功能的涂層材料，叫做熱控涂層，也是我們給嫦娥打造的最重要的裝備之一。它是涂覆在材料表面，專門用來調(diào)控固體表面熱輻射性質(zhì)，從而達(dá)到熱控制目的。
熱控涂層之于航天器就如同衣服對(duì)于人類。而且還屬于“高端私服、量身定制”。在航天器不同的部位，我們還要選擇不同吸輻比[太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率的比值]的熱控涂層。
嫦娥四號(hào)探測(cè)器和玉兔巡視器所使用的熱控涂層多達(dá)20余種，研制工藝和吸輻比各不相同，這些材料的應(yīng)用確保了航天器各儀器設(shè)備在晝夜溫差高達(dá)300度的環(huán)境中依然正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
除了熱控涂層，另外一種熱控材料是多層隔熱材料。
當(dāng)探測(cè)器飛行到月球附近的時(shí)候，它相對(duì)月球的速度大于月球的逃逸速度（2.38公里/秒），如果不減速，這個(gè)探測(cè)器就會(huì)飛離月球。而要實(shí)現(xiàn)繞月飛行，就必須對(duì)它進(jìn)行制動(dòng)。也就是要?jiǎng)x一下車，將飛行速度降到月球逃逸速度以內(nèi)，從而被月球吸引力捕獲。
而在下降的過程中，月面著陸是在真空狀態(tài)下的軟著陸，沒有大氣，也就意味著不能利用空氣摩擦實(shí)現(xiàn)減速，因此需要用反推力來實(shí)現(xiàn)減速降落。
7500牛的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)就是這個(gè)關(guān)鍵的剎車裝置。當(dāng)它發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候，最高溫度可以高達(dá)1400多度，而它周圍的儀器設(shè)備的工作溫度卻需要維持在幾十度左右。因此，我們必須將這兩者在溫度上隔離開。
解決方案就是在發(fā)動(dòng)機(jī)的外圍給它穿一條“裙子”，也就是高溫多層隔熱材料。
這條“裙子”的厚度只有1厘米，由20多層特殊材料組成,穿上它就在發(fā)動(dòng)機(jī)和周圍的電子元器件之間形成了一道熱屏障。哪怕裙內(nèi)燃燒室和噴管的溫度超過了1000度，裙外的溫度也不會(huì)超過100度，確保了嫦娥四號(hào)探測(cè)器的正常工作。
這種神奇的隔熱材料是由低發(fā)射率的反射屏和低導(dǎo)熱率的隔熱層交替疊合生成的，在真空條件下它的熱傳導(dǎo)率極低，表現(xiàn)出極好的隔熱性能，在日常生活中這種技術(shù)也得到了很好的應(yīng)用。一些戶外運(yùn)動(dòng)品牌推出的熱能羽絨服就采用了類似的原理。
航天器上一般都有一對(duì)大大的像翅膀一樣的部件，那是它的供電系統(tǒng)——太陽(yáng)能電池陣列帆板。在這個(gè)帆板的接觸支點(diǎn)上還有一種特殊的功能涂層，叫做高摩擦抗冷焊涂層。
“高摩擦”顧名思義就是指這個(gè)涂層具有很高的靜摩擦系數(shù)；“冷焊”是在高真空條件下，金屬固體表面失去所吸附的氣體，相互接觸時(shí)發(fā)生不同程度的黏結(jié)現(xiàn)象。在微觀程度下這種現(xiàn)象與材料表面原子的擴(kuò)散是密切相關(guān)的，因此我們就在接觸支點(diǎn)材料的一面涂覆了一種具有高摩擦系數(shù)且不易發(fā)生冷焊的陶瓷涂層，有效地防止了冷焊現(xiàn)象的發(fā)生。
這種高摩擦性能能確保太陽(yáng)能帆板在經(jīng)過發(fā)射、奔月、著陸以及兩器分離等加速、減速環(huán)節(jié)后連接仍然穩(wěn)定可靠。
而抗冷焊性則表現(xiàn)在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)14天，零下180度的極寒月夜時(shí)，玉兔的側(cè)太陽(yáng)帆板能收攏起來，像棉被一樣蓋在玉兔的身上，幫助它在寒夜里減少散熱，而在月夜過后，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間壓緊、收攏狀態(tài)的太陽(yáng)帆板依然能夠伸張自如，不會(huì)被“凍僵”。這個(gè)涂層為太陽(yáng)能帆板的可靠接觸和頻繁啟閉發(fā)揮了重要作用。
網(wǎng)上有人在問：“宇宙空間是一個(gè)真空的環(huán)境，為什么航天器上還要用高溫抗氧化涂層呢？”其實(shí)這些抗氧化涂層是用于嫦娥四號(hào)上十幾個(gè)推力不同、方向各異的姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)上的。
嫦娥四號(hào)上的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)及推力室噴管
圖上看到的這些喇叭狀的部件就是推力室噴管。別看它們個(gè)頭很小，但是它們作用卻很大。
月球與地球相距38萬(wàn)公里，“嫦娥奔月”過程中要經(jīng)過多次變軌才能實(shí)現(xiàn)著陸，每次都是通過這些姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生反推力來調(diào)整和控制姿態(tài)。它們就像航天器的方向盤，差之毫厘，謬以千里。
為了使嫦娥準(zhǔn)確著陸，必須確保發(fā)動(dòng)機(jī)具有100%的工作可靠性。航天器用軌道和姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是雙阻元液體推進(jìn)劑，也就是四氧化二氮和肼類燃料，它在點(diǎn)火時(shí)會(huì)形成高溫氧化環(huán)境，目前我們發(fā)動(dòng)機(jī)推力室是難熔高溫合金材料制成的，但它的高溫抗氧化性能很差，很容易發(fā)生災(zāi)難性的PEST粉化氧化[即在某一特定溫度范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)快速發(fā)生災(zāi)難性破壞，同時(shí)伴隨加速內(nèi)氧化過程的現(xiàn)象]。如果沒有高溫抗氧化涂層的保護(hù)，在高溫氧化的環(huán)境中推力室在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)被燒穿。
給推力室部件表面涂覆上微米級(jí)的硅化物體系高溫抗氧化涂層后，在高達(dá)1300度的有氧環(huán)境下，硅化物首先會(huì)被氧化，進(jìn)而在涂層的表面形成一層連續(xù)致密的玻璃態(tài)氧化硅，有效地隔絕進(jìn)一步氧化。另一方面，由于這個(gè)氧化硅在高溫下具有一定的流動(dòng)性，還能自動(dòng)彌補(bǔ)涂層氧化過程中產(chǎn)生的裂紋、孔洞等缺陷，就像我們?nèi)梭w的血小板一樣具有止血自愈的功能。
隨著火星探測(cè)、太空探索的深入，為了適應(yīng)漫長(zhǎng)的太空旅行，完成更復(fù)雜的航天任務(wù)，未來熱控涂層材料將會(huì)向著長(zhǎng)壽命、輕量化、多功能化以及智能化方向發(fā)展。
不僅要經(jīng)受住溫度劇烈變化的考驗(yàn)，還要能扛住長(zhǎng)期的太陽(yáng)紫外輻照、高能宇宙射線、微流星撞擊等惡劣環(huán)境。為了在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持性能穩(wěn)定，熱控涂層的使用壽命就必須達(dá)到十年、二十年甚至要更長(zhǎng)。
輕量化則是為了增加航天器的有效載荷。在總重量不變的情況下，航天器要進(jìn)行瘦身減重，這樣才能帶更多的東西上天。目前我們已經(jīng)在世界上最輕的合金——鎂鋰合金上成功地研制出了一種新的熱控涂層并且得到了成功的應(yīng)用。
多功能化是指在具有熱控作用的同時(shí)還具有其他的功能。為了應(yīng)對(duì)不同的工作環(huán)境，未來的航天器上還需要具有防靜電功能的熱控涂層，防止月球上灰塵污染的自清潔熱控涂層，可以吸附分子級(jí)污染物的熱控涂層等等。
前面所說的各種涂層的吸輻比是固定的，可以看作一個(gè)被動(dòng)作用，所以在航天器的不同的部位我們必須選用不同的材料。而智能熱控涂層是基于材料的熱致相變特征研制的，涂層的發(fā)射率可以隨著航天器表面的溫度變化而變化，實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行響應(yīng)，就像變色龍一樣，這種涂層特別適用于對(duì)功能和質(zhì)量要求非?？量痰奈⒓{衛(wèi)星。
目前我們實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了兩類智能熱控涂層，一種是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物，它是一種缺陷型化合物，隨著溫度的變化，材料的晶格結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變的過程中呈現(xiàn)出金屬性和絕緣性。
另一類是基于氧化釩薄膜來制備的，它在特定的溫度下會(huì)發(fā)生一個(gè)金屬-半導(dǎo)體相變。就像我們平時(shí)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的百葉窗一樣，在室內(nèi)的溫度較高的時(shí)候，它能夠遮住光線；而當(dāng)室內(nèi)溫度低時(shí)就能透出光線來。這兩種涂層已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上成功搭載，有望得到廣泛應(yīng)用。
了解月球這顆離地球最近的星球只是第一步，隨著各種深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和成熟，人類在地球與月球之間往返，建立永久性月球基地，長(zhǎng)期開發(fā)月球資源將不再是科幻小說里的想象，甚至在未來的某一天，我們還可能在月球建成中轉(zhuǎn)站、航天港，用于火星探測(cè)和更遠(yuǎn)的太空任務(wù)。
航天是人類的至高夢(mèng)想，也是前沿科學(xué)研究中最復(fù)雜最艱難的部分，需要長(zhǎng)期的投入和關(guān)注，唯有掌控天地冷暖，才能縱橫無限宇宙。
